双腔体四振子压电泵设计及试验

为提高压电泵的输出流量和输出压力,增强自吸性能,采用四片压电振子构建两个工作腔体的新型压电泵结构,即双腔四振子压电泵.在对该新型压电泵进行结构设计的基础上,分析了其工作原理和工作特性,给出了输出流量和输出压力的计算方法,并加工制造了四振子压电泵样机.对四振子压电泵在单腔体双振子、双腔双振子和双腔四振子工作方式下进行了试验对比,结果表明,采用腔体串联能够提高压电泵的输出流量和输出压力,双腔四振子压电泵在驱动电压为150 V AC,频率为120 Hz时,最大输出流量为1160 mL/min,而双腔双振子最大输出流量为650 mL/min（138 Hz）,单腔双振子最大输出流量为250 mL/min（160 Hz）;双腔四振子压电泵自吸高度可达到55 cm.     

主动阀压电泵的设计

综述了国内外压电泵的研究与进展,通过比较被动阀压电泵与主动阀压电泵的工作原理,提出了主动阀压电泵潜在的应用价值。依据工作原理,设计、制作了由压电振子分别作为泵驱动源和进、出口阀的主动阀压电泵,并对泵的驱动信号进行了研究。性能测试结果:在140 Hz下,主动阀压电泵的最大输出流量为40 ml/min,最大输出压力为12.25 kPa。结果表明:主动阀压电泵的性能、单向截止性及执行效率明显优于被动阀压电泵。     

单振子双腔体V形管无阀压电泵的流场分析

为了提高泵送流量,获得连续、低脉动的输出特性,设计了一种单振子双腔体V形管无阀压电泵,并建立其几何模型,对其工作原理进行了简要介绍,采用Fluent软件的动网格模型对其内部流动进行数值分析．对压电泵内部流场进行动态模拟,得到不同时期压电泵内部的压力、速度及瞬时流量等动态特征,将双晶片压电振子的动态特征和流体的运动特征有机地结合在一起,结果与压电泵的工作原理相吻合,验证了动网格模型应用于压电泵数值模拟计算的可行性．通过大量的数值模拟研究了驱动频率、压电振子振幅、泵腔高度和V形管位置对单振子双腔体V形管无阀压电泵输出性能的影响．模拟结果表明：驱动频率为250Hz时单振子双腔体V形管无阀压电泵的出口流量最大;压电振子振幅越大,出口流量越大;合理选择一组振幅值、泵腔高度和管道位置,便可得到压电泵的最优输出性能．     

压电共振型隔膜气泵设计

提出了一种利用系统共振原理的压电共振型隔膜气泵.分析了共振泵的工作原理,建立了共振泵的动力学模型,通过计算获得影响共振泵输出流量的主要因素.设计了共振泵样机,使用激光测微仪测得隔膜片的放大位移约是同一支撑条件下的压电振子位移的5.3倍,设计了测量共振泵输出流量的实验装置.通过实验测试得到在不同的振动弹簧刚度、调整弹簧片刚度和隔膜片刚度下输出流量及其相应的变化规律.实验测试表明:在输入电压为150 V、振动弹簧片厚度为0.6 mm、调整弹簧片厚度为1.4 mm、刚性传振活塞与隔膜片半径比为0.5和共振频率为230 Hz时,输出流量可以达到1 650 mL/min.     

圆形双振子式主动阀压电泵设计与性能实验

设计了一种圆形压电振子式主动阀压电泵.通过推导主动阀理论流量公式,分析了影响主动阀流量的主要因素,即阀口内半径和阀座宽度.通过对圆形压电振子式主动阀压电泵性能的实验得出了工作频率、泵腔压电振子驱动电压、输出端背压、主动阀驱动信号与泵腔压电振子驱动信号的相位差是主动阀压电泵的性能影响因素.设计的主动阀压电泵同时具备双向泵送流体的能力.实验结果表明:该泵在30 Hz、120 V的正弦信号驱动下,流量达到了123 mL/min.     

泵用压电振子与泵腔体积变化的测试研究

为了准确获得压电泵泵腔体积的变化量,针对影响泵腔体积变化的关键因素——压电振子的变形特性进行分析,并采取非接触的测量方式对基板直径为65 mm,陶瓷直径为60 mm的圆形压电振子进行变形测试.在测试中对该压电振子的中心点在不同电压信号驱动下振幅随频率、驱动电压的变化规律以及压电振子径向各点在正弦电压信号驱动下振幅随半径的变化规律进行了研究.根据压电振子径向各点振幅的变化规律利用Matlab软件进行二次函数曲线拟合计算,得到压电振子的径向切面变形拟合曲线,根据拟合曲线,建立了压电泵泵腔体积变化量的理论计算方法.结果表明：压电振子中心点振幅随频率的增大而逐渐减小,随驱动电压的增大而增大;径向各点振幅随各点半径的增大而减小;拟合计算结果与实测数据基本吻合,最大相对误差仅为6.96%;利用压电泵泵腔体积变化量的理论计算方法,计算得到利用该圆形压电单晶片振子制作的压电泵在100 V,30 Hz正弦电压信号的作用下,泵腔每次振动产生的体积变化量约为34.009 mm3,理论上最大输出流量为61.216 mL/min.     

涡旋阀压电泵内部空化流动的数值分析

设计了一涡旋阀压电泵,采用动网格模型对其进行数值分析.首先对涡旋阀压电内部流场进行了动态模拟,得到了不同时期压电泵内的速度和静压分布图,有效地将压电振子的动态特征和流体的运动特征进行了间接流固耦合分析,验证了动网格模型在研究压电泵运动边界方面的可行性.研究了驱动频率,压电振子振幅,泵腔高度对涡旋阀压电泵输出性能的影响,发现驱动频率越小,压电振子振幅越大,出口体积流量越大,泵腔高度约为250μm,出口流量达到最大值.此外,还分别对涡旋阀和涡旋阀压电泵进行了空化模拟,得到了空化时涡旋阀内和不同时刻泵腔中的气液分布,为有效预测压电泵腔内空化,抑制空化现象提供了一定依据.     

不同激励信号驱动下压电泵的输出性能

为了研究不同的激励信号驱动下无阀压电泵的输出性能,以锥形流管无阀压电泵为研究对象,根据激励信号的数学表达式理论分析了常见的正弦波、方波和三角波等信号激励下的压电振子振动特性,并以去离子水为传输介质,试验研究不同信号激励下的压电泵的液体传输特性和压电振子的振动特性.试验结果表明:锥形流管无阀压电泵在3种不同激励信号下,随着驱动频率的增大,其流量均呈现先增大后减小的变化趋势;当驱动电压为单峰100 V,频率9 Hz时,方波信号驱动产生的泵流量最大,为1.86 g/min;三角波信号驱动产生的泵流量最小,为1.29 g/min.并且,方波激励下的压电振子振幅最大,为64.82μm;三角波激励下的振子振幅最小,为52.29μm.同时,由泵流量与压电振子振幅曲线可知,振幅并非影响压电泵输出流量的唯一因素.综合对比可发现,方波信号驱动下的压电泵输出性能最强,但振动噪声较大,影响使用.     

附壁射流无阀压电微泵的多场耦合模拟

为了研究在多场耦合影响下的压电微泵的输出性能,提出了一种新的数值模拟方法,以附壁射流无阀压电微泵为对象进行数值计算,并通过试验验证了数值计算方法的正确性,同时对压电泵的外特性进行了研究.结果表明:随着频率的增大,压电泵的流量和背压都呈现先增大后减小的趋势;当电压为200 V,频率为62.5 Hz时,压电泵的流量和背压都达到最大,分别为0.703 mL/min和0.672 kPa;提取压电振子的位移分布和压电泵瞬时流量的数据,显示压电泵的出口瞬时流量滞后于瞬时电压的原因是耦合作用的影响;随着喉部高度H的增大,压电泵的流量呈现先增大后减小的趋势,当电压为200 V,频率为50.0 Hz,喉部高度H=0.4 mm时流量达到最大,为4.023 mL/min;结合压电振子的最大位移曲线和压电泵内部流场的速度矢量图分析,表明压电振子的最大振幅决定于从泵腔泵出的总流量,而内流场形成的旋涡尺寸和位置决定了进口管和出口管之间流量的分配.     

单腔体气体压电泵设计

为制造输出性能良好的气体压电泵,设计了一种新型的伞形橡胶阀.分析了伞形橡胶阀的过流特性,并应用Ansys软件,对阀的工作性能进行仿真分析,确定了伞形橡胶阀的前10阶固有频率和阀工作失效时作用在阀两侧的临界压力值.仿真结果表明:在泵工作频率低于阀一阶固有频率时,且当作用在阀两侧的临界压力值大于0.8 kPa时,阀因为开启高度过大而不能恢复到关闭状态导致泵工作失效.并对泵用压电振子在泵送气体时进行了发热性能测试以及应用伞形橡胶阀所设计的单腔气体压电泵进行输送气体和液体试验,试验结果表明:在110 V正弦交流电压驱动下,驱动电压频率小于400 Hz时,振子的热平衡温度小于70℃;输送气体时,在最佳工作频率为380 Hz时,最大输出流量和压力分别为1 889 mL/min和5.1 kPa;输送液体时,在最佳工作频率为240 Hz时,最大输出流量和压力分别为300 mL/min和25.0 kPa.     

单腔体气体压电泵设计

为制造输出性能良好的气体压电泵,设计了一种新型的伞形橡胶阀．分析了伞形橡胶阀的过流特性,并应用Ansys软件,对阀的工作性能进行仿真分析,确定了伞形橡胶阀的前10阶固有频率和阀工作失效时作用在阀两侧的临界压力值．仿真结果表明:在泵工作频率低于阀一阶固有频率时,且当作用在阀两侧的临界压力值大于08 kPa时,阀因为开启高度过大而不能恢复到关闭状态导致泵工作失效．并对泵用压电振子在泵送气体时进行了发热性能测试以及应用伞形橡胶阀所设计的单腔气体压电泵进行输送气体和液体试验,试验结果表明:在110 V正弦交流电压驱动下,驱动电压频率小于400 Hz时,振子的热平衡温度小于70 ℃;输送气体时,在最佳工作频率为380 Hz时,最大输出流量和压力分别为1 889 mL／min和51 kPa;输送液体时,在最佳工作频率为240 Hz时,最大输出流量和压力分别为300 mL／min和250 kPa．     

离心泵叶轮平衡孔液体泄漏量特性试验

在3BA-6型单级单吸离心泵上,通过更换不同直径平衡孔叶轮的试验,测量了叶轮后密封出口压力、泵进口压力,得出了平衡腔内液体压力、泵进口压力与泵扬程的试验曲线。据此计算得到了平衡孔液体泄漏量特性曲线。在设计工况下,比较分析了当平衡孔直径不同时平衡孔液体泄漏量理论曲线与试验曲线。实测泵轴向力曲线表明依据平衡孔泄漏量特性曲线计算得到的轴向力曲线,可以满足工程计算需要。     

单腔单振子压电泵流量自测量方法研究

为满足压电泵系统流体精确控制及小型化的需要,提出利用压电自感知及神经网络技术的单腔单振子压电泵流量自测量方法。压电泵结构上采用双压电晶片振子同时作为执行元件与传感元件使用。首先分析了流量影响因素,并分析了传感压电片输出信号与振子变形关系。得出:压电泵流量与振子振动状态存在函数关系,振子的振动状态可由传感压电信号实时反映,因此在信号中隐含着压电泵流量信息。据此制作了传感压电信号参数测量电路样机,将参数测量结果作为神经网络输入,建立了用于压电泵流量预测的BP神经网络模型。实验结果表明:利用该方法得到的预测值与实验测量值之间相关系数在0.999 3以上,最大相对误差率小于3.46%,预测结果与测量值接近。该流量自测量方法具有较好的准确性。     

多相混输泵叶轮不同区域增压性能

为了改善多相混输泵叶轮域的增压性能,提高混输泵叶轮的做功能力,选用标准的k-ε湍流模型,分别在纯水条件不同流量下和设计流量不同含气率下进行了数值计算,对多相混输泵叶轮不同区域的增压性能展开了研究.结果表明：从叶轮进口到出口,各级叶轮叶片工作面和吸力面压差大的区域主要集中在叶轮的前半段,且在叶轮前半段,越靠近轮缘,叶轮的增压性能越强,越靠近轮毂,叶轮的增压性能越弱,在叶轮后半段,越靠近轮缘,叶轮的增压性能越差,越靠近轮毂,叶轮的增压性能越强;在不同流量下,随着流量的增大,叶片工作面和吸力面的压差逐渐减小,流量对叶轮前半段叶轮叶片工作面和吸力面压差的影响先增大后减小,流量对叶轮后半段叶轮叶片工作面和吸力面压差的影响逐渐减小;在不同含气率下,含气率越高,对混输泵叶轮的增压性能影响越大,且随着含气率的升高,叶片工作面和吸力面压差下降越快.研究结果对多相混输泵叶轮的进一步优化设计提供重要的理论依据.     

微型压电泵中引流道对气泡控制的影响

提出了在泵腔内加工引流道,以促使气泡迅速而有效地排除。从腔内压力方面分析气泡的滞留与输出性能的关系,同时从气泡压力降和流体阻尼方面分析引流道对气泡滞留的影响,最后通过实验验证引流道的引入对压电泵输出性能的影响以及对气泡滞留的优化效果。实验结果表明,引流道的引入能在一定程度上增强压电泵的输出压力和输出流量,引流道宽度为2.0 mm时,输出压力和输出流量分别达到17.4 k Pa和20.8 m L/min;当引流道宽度为1.1 mm和1.5 mm时,压电泵具有很强的气泡排除能力,并根除了断流现象的发生,120个0.02 m L气泡进入后,压电泵仍具有稳定的输出压力(5.8 k Pa和5.6 k Pa)和输出流量(16 m L/min和5.6 m L/min)。在泵腔内加工引流道可以使气泡得到迅速而有效的排除,并减少气泡在泵腔内滞留。     

泵用圆形压电双晶片弯曲变形分析

为了准确获得压电泵泵腔容积的变化量,需要对压电振子的变形特性进行理论分析．将压电双晶片的受力模型分成2部分,即中间压电陶瓷和金属基板的3层复合部分,以及外部的金属基板部分．应用弹性薄板的小挠度弯曲变形理论,推导出固定边界条件下双晶片振动时的容积变化方程．结果表明:压电双晶片振动时容积变化的大小,是与双晶片的几何参数、材料的性能参数以及驱动电压有关的量．为了验证理论推导的正确性,对铜基板直径为35 mm、压电陶瓷直径为29 mm的压电双晶片,在不同直流电压驱动下中心点振幅进行非接触式激光测试,并将测试结果与理论计算值进行比较,结果表明:理论计算值要略大于实际测试值,两者之间存在20％左右的误差,但存在着一致性．应用泵腔容积变化量的理论计算方法,计算得到利用该压电振子制作的单腔压电泵在110 V,200 Hz正弦电压信号的作用下,泵腔每次振动产生的容积变化量约为12881 mm3,理论上最大输出流量为3 091 mL／min．